SARS-CoV-2 from alpha to epsilon As battles to contain the COVID-19 pandemic continue, attention is focused on emerging variants of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus that have been deemed variants of concern because they are resistant to antibodies elicited by infection or vaccination or they increase transmissibility or disease severity. Three papers used functional and structural studies to explore how mutations in the viral spike protein affect its ability to infect host cells and to evade host immunity. Gobeil et al . looked at a variant spike protein involved in transmission between minks and humans, as well as the B1.1.7 (alpha), B.1.351 (beta), and P1 (gamma) spike variants; Cai et al . focused on the alpha and beta variants; and McCallum et al . discuss the properties of the spike protein from the B1.1.427/B.1.429 (epsilon) variant. Together, these papers show a balance among mutations that enhance stability, those that increase binding to the human receptor ACE2, and those that confer resistance to neutralizing antibodies. —VV

New SARS-CoV-2 variants that have accumulated multiple mutations in the spike (S) glycoprotein enable increased transmission and resistance to neutralizing antibodies. Here, we study the antigenic and structural impacts of the S protein mutations from four variants, one that was involved in transmission between minks and humans, and three that rapidly spread in human populations and originated in the United Kingdom, Brazil or South Africa. All variants either retained or improved binding to the ACE2 receptor. The B.1.1.7 (UK) and B.1.1.28 (Brazil) spike variants showed reduced binding to neutralizing NTD and RBD antibodies, respectively, while the B.1.351 (SA) variant showed reduced binding to both NTD- and RBD-directed antibodies. Cryo-EM structural analyses revealed allosteric effects of the mutations on spike conformations and revealed mechanistic differences that either drive inter-species transmission or promotes viral escape from dominant neutralizing epitopes.Cryo-EM structures reveal changes in SARS-CoV-2 S protein during inter-species transmission or immune evasion.Adaptation to mink resulted in increased ACE2 binding and spike destabilization.B.1.1.7 S mutations reveal an intricate balance of stabilizing and destabilizing effects that impact receptor and antibody binding.E484K mutation in B.1.351 and B.1.1.28 S proteins drives immune evasion by altering RBD conformation.S protein uses different mechanisms to converge upon similar solutions for altering RBD up/down positioning.

Abstract The SARS-CoV-2 spike (S) protein is the target of vaccine design efforts to end the COVID-19 pandemic. Despite a low mutation rate, isolates with the D614G substitution in the S protein appeared early during the pandemic, and are now the dominant form worldwide. Here, we analyze the D614G mutation in the context of a soluble S ectodomain construct. Cryo-EM structures, antigenicity and proteolysis experiments suggest altered conformational dynamics resulting in enhanced furin cleavage efficiency of the G614 variant. Furthermore, furin cleavage altered the conformational dynamics of the Receptor Binding Domains (RBD) in the G614 S ectodomain, demonstrating an allosteric effect on the RBD dynamics triggered by changes in the SD2 region, that harbors residue 614 and the furin cleavage site. Our results elucidate SARS-CoV-2 spike conformational dynamics and allostery, and have implications for vaccine design. Highlights SARS-CoV-2 S ectodomains with or without the K986P, V987P mutations have similar structures, antigenicity and stability. The D614G mutation alters S protein conformational dynamics. D614G enhances protease cleavage susceptibility at the S protein furin cleavage site. Cryo-EM structures reveal allosteric effect of changes at the S1/S2 junction on RBD dynamics.

Aided by extensive spike protein mutation, the SARS-CoV-2 Omicron variant overtook the previously dominant Delta variant. Spike conformation plays an essential role in SARS-CoV-2 evolution via changes in receptor binding domain (RBD) and neutralizing antibody epitope presentation affecting virus transmissibility and immune evasion. Here, we determine cryo-EM structures of the Omicron and Delta spikes to understand the conformational impacts of mutations in each. The Omicron spike structure revealed an unusually tightly packed RBD organization with long range impacts that were not observed in the Delta spike. Binding and crystallography revealed increased flexibility at the functionally critical fusion peptide site in the Omicron spike. These results reveal a highly evolved Omicron spike architecture with possible impacts on its high levels of immune evasion and transmissibility.

SUMMARY Betacoronaviruses (betaCoVs) caused the severe acute respiratory syndrome (SARS) and Middle East Respiratory Syndrome (MERS) outbreaks, and now the SARS-CoV-2 pandemic. Vaccines that elicit protective immune responses against SARS-CoV-2 and betaCoVs circulating in animals have the potential to prevent future betaCoV pandemics. Here, we show that immunization of macaques with a multimeric SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD) nanoparticle adjuvanted with 3M-052-Alum elicited cross-neutralizing antibody responses against SARS-CoV-1, SARS-CoV-2, batCoVs and the UK B.1.1.7 SARS-CoV-2 mutant virus. Nanoparticle vaccination resulted in a SARS-CoV-2 reciprocal geometric mean neutralization titer of 47,216, and robust protection against SARS-CoV-2 in macaque upper and lower respiratory tracts. Importantly, nucleoside-modified mRNA encoding a stabilized transmembrane spike or monomeric RBD protein also induced SARS-CoV-1 and batCoV cross-neutralizing antibodies, albeit at lower titers. These results demonstrate current mRNA vaccines may provide some protection from future zoonotic betaCoV outbreaks, and provide a platform for further development of pan-betaCoV nanoparticle vaccines.

Abstract The SARS-CoV-2 spike (S) protein, a primary target for COVID-19 vaccine development, presents its Receptor Binding Domain in two conformations: receptor-accessible “up” or receptor-inaccessible “down” conformations. Here, we report that the commonly used stabilized S ectodomain construct “2P” is sensitive to cold temperature, and that this cold sensitivity is resolved in a “down” state stabilized spike. Our results will impact structural, functional and vaccine studies that use the SARS-CoV-2 S ectodomain.

Summary The HIV-1 envelope (Env) is comprised by mass of over 50% glycans. A goal of HIV-1 vaccine development is the induction of Env glycan-reactive broadly neutralizing antibodies (bnAbs). The 2G12 bnAb recognizes an Env glycan cluster using a unique variable heavy (V H ) domain-swapped conformation that results in fragment antigen-binding (Fab) dimerization. Here we describe Fab-dimerized glycan (FDG)-reactive antibodies without V H -swapped domains from simian-human immunodeficiency virus (SHIV)-infected macaques that neutralized heterologous HIV-1 isolates. FDG precursors were boosted by vaccination in macaques, and were present in HIV-1-naïve humans with an average estimated frequency of one per 340,000 B cells. These data demonstrate frequent HIV-1 Env glycan-reactive bnAb B cell precursors in macaques and humans and reveal a novel strategy for their induction by vaccination. Highlights Discovery of Fab-dimerized HIV-1 glycan-reactive antibodies with a non-domain-swapped architecture Fab-dimerized antibodies neutralize heterologous HIV-1 isolates. Antibodies with this architecture can be elicited by vaccination in macaques. Fab-dimerized antibodies are found in HIV-1 naïve humans.

SUMMARY The CD4 binding site (CD4bs) is a conserved epitope on HIV-1 envelope (Env) that can be targeted by protective broadly neutralizing antibodies (bnAbs). HIV-1 vaccines have not elicited CD4bs bnAbs for many reasons, including the CD4bs is occluded by glycans, immunogen expansion of appropriate naïve B cells, and selection of functional antibody mutations. Here, we demonstrate immunization of macaques with a CD4bs-targeting immunogen elicits neutralizing bnAb precursors with structural and genetic features of CD4-mimicking bnAbs. Structures of the CD4bs nAbs bound to HIV-1 Env demonstrated binding angles similar to human bnAbs and heavy chain second complementarity determining region-dependent binding characteristic of all known human CD4-mimicking bnAbs. Macaque nAbs were derived from variable and joining gene segments orthologous to the genes of human V H 1-46-class bnAbs. This vaccine study initiated the B cells from which derive CD4bs bnAbs in primates, accomplishing the key first step in development of an effective HIV-1 vaccine.

Abstract Vaccine development targeting rapidly evolving pathogens such as HIV-1 requires induction of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) with conserved paratopes and mutations, and, in some cases, the same Ig-heavy chains. The current trial-and-error search for immunogen modifications that improve selection for specific bnAb mutations is imprecise. To precisely engineer bnAb boosting immunogens, we used molecular dynamics simulations to examine encounter states that form when antibodies collide with the HIV-1 Envelope (Env). By mapping how bnAbs use encounter states to find their bound states, we identified Env mutations that were predicted to select for specific antibody mutations in two HIV-1 bnAb B cell lineages. The Env mutations encoded antibody affinity gains and selected for desired antibody mutations in vivo . These results demonstrate proof-of-concept that Env immunogens can be designed to directly select for specific antibody mutations at residue-level precision by vaccination, thus demonstrating the feasibility of sequential bnAb-inducing HIV-1 vaccine design.

Abstract SARS-CoV in 2003, SARS-CoV-2 in 2019, and SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) can cause deadly infections, underlining the importance of developing broadly effective countermeasures against Group 2B Sarbecoviruses, which could be key in the rapid prevention and mitigation of future zoonotic events. Here, we demonstrate the neutralization of SARS-CoV, bat CoVs WIV-1 and RsSHC014, and SARS-CoV-2 variants D614G, B.1.1.7, B.1.429, B1.351 by a receptor-binding domain (RBD)-specific antibody DH1047. Prophylactic and therapeutic treatment with DH1047 demonstrated protection against SARS-CoV, WIV-1, RsSHC014, and SARS-CoV-2 B1.351infection in mice. Binding and structural analysis showed high affinity binding of DH1047 to an epitope that is highly conserved among Sarbecoviruses. We conclude that DH1047 is a broadly neutralizing and protective antibody that can prevent infection and mitigate outbreaks caused by SARS-like strains and SARS-CoV-2 variants. Our results argue that the RBD conserved epitope bound by DH1047 is a rational target for pan Group 2B coronavirus vaccines.